錢(qián)嘉，羅元笑

（1.無(wú)錫市惠山區(qū)安信檢測(cè)服務(wù)有限公司，江蘇 無(wú)錫 214000；2.無(wú)錫市建筑設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，江蘇 無(wú)錫 214000）

0 前言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，建筑環(huán)境污染和資源消耗愈發(fā)嚴(yán)重，巖土工程領(lǐng)域也需要使用綠色環(huán)保型深基坑技術(shù)。傳統(tǒng)鉆孔灌注樁、混凝土支撐變形控制效果好，但是養(yǎng)護(hù)周期長(zhǎng)且后期拆除支撐不便，不僅造成鋼筋混凝土的極大浪費(fèi)，還會(huì)產(chǎn)生大量噪音、粉塵和固體廢棄物[1]。

SMW 工法樁與預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁裝配式鋼支撐均可回收重復(fù)利用，且施工過(guò)程不會(huì)產(chǎn)生噪音、固體廢棄物等。預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁裝配式鋼支撐安裝與拆除方便，支撐架設(shè)完畢即可起到支護(hù)作用，節(jié)省工期，在大型地下工程的基坑支護(hù)中優(yōu)勢(shì)明顯[2]。

本文針對(duì)SMW 工法樁與預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁裝配式鋼支撐聯(lián)合使用，從安全可靠性、經(jīng)濟(jì)性、工期和施工便利性三個(gè)方面進(jìn)行分析，并以無(wú)錫某基坑工程為例，通過(guò)MIDAS/GTS NX 數(shù)值模擬軟件，整體分析施加預(yù)應(yīng)力的魚(yú)腹梁體系的受力特性，為今后同類(lèi)型基坑設(shè)計(jì)提供參考。

1 概述

1.1 工程概況

擬建項(xiàng)目整體呈規(guī)則矩形，長(zhǎng)136.7m，寬90.2m，基坑周長(zhǎng)約為453.8m，基坑總面積約12330.34m2。

基坑開(kāi)挖深度9.20～10.00m，基坑側(cè)壁安全等級(jí)主體基坑為一級(jí)，重要性系數(shù)1.1。擬建場(chǎng)地北側(cè)為規(guī)劃道路，現(xiàn)狀為空地，作為場(chǎng)地內(nèi)部施工主干道及施工加工區(qū)；西側(cè)為已建商務(wù)園辦公樓（2～3F），距擬建地庫(kù)最近約27.50m，該側(cè)空地作為辦公生活區(qū)及施工主干道；擬建地庫(kù)東側(cè)為現(xiàn)狀綠化帶，東南角1層配電房距擬建地庫(kù)最近約11.70m；南側(cè)市政道路距擬建地庫(kù)約9.70m，人行道處分布有雨水管。

1.2 工程地質(zhì)概況

本工程地基土由表層①雜填土、②1粉質(zhì)黏土、②2 粉質(zhì)黏土、③1 粉質(zhì)粘土夾粉土、③2 粉土、③3 粉質(zhì)粘土、④1 粉質(zhì)黏土、④2 粉質(zhì)黏土～黏土、④3 粉質(zhì)黏土、⑤1 粉質(zhì)粘土等組成?；娱_(kāi)挖影響范圍內(nèi)的主要土層物理力學(xué)參數(shù)表如表1所示，典型地質(zhì)剖面如圖2所示。

表1 主要土層物理力學(xué)參數(shù)

擬建場(chǎng)地在勘察深度范圍內(nèi)對(duì)基坑工程有直接影響的地下水主要賦存于上部①雜填土中的地表淺層潛水含水層及②2 粉質(zhì)黏土層（含粉土）、③1 粉質(zhì)黏土夾粉土層和③2 粉土層中的淺層微承壓水。

潛水：上部填土層中的地下水，屬上層滯水～潛水，主要接受大氣降水及地表滲漏補(bǔ)給，其水位隨季節(jié)、氣候變化而上下浮動(dòng)。該上層滯水～潛水位為3.10～3.28m 左右（1985 國(guó)家高程），一般年變化幅度為0.50m 左右。近3～5 年該上層滯水～潛水最高地下水位在3.30m左右（1985國(guó)家高程）。

微承壓水：中上部〈2-2＞粉質(zhì)黏土層（含粉土）、〈3-1＞粉質(zhì)黏土夾粉土層和〈3-2＞粉土層中的地下水，屬微承壓水，補(bǔ)給來(lái)源主要為橫向補(bǔ)給及上部少量越流補(bǔ)給。該層水位標(biāo)高在0.60～0.91m左右（1985國(guó)家高程）。

2 基坑設(shè)計(jì)選型

根據(jù)本地區(qū)同類(lèi)型基坑的工程經(jīng)驗(yàn)及周邊場(chǎng)地條件，需采用圍護(hù)墻+內(nèi)支撐的支護(hù)形式。

2.1 圍護(hù)樁選型

①鉆孔灌注樁+攪拌樁止水帷幕

鉆孔灌注樁就是通過(guò)機(jī)械形成樁孔，在孔中放置鋼筋籠，澆筑水下混凝土而形成的樁，只能擋土，不能擋水，需另外借助止水帷幕止水。該圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工工藝成熟，剛度大，能夠有效控制基坑變形。但鉆孔灌注樁不可回收，施工過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量廢棄泥漿，需要單獨(dú)設(shè)置一道止水帷幕，不僅影響工期，也會(huì)影響周邊環(huán)境，經(jīng)濟(jì)效益不高。

②SMW工法樁

SMW 工法樁是在攪拌樁中插入H型鋼，攪拌樁負(fù)責(zé)擋水，H 型鋼負(fù)責(zé)擋土，使用后H 型鋼可回收復(fù)用。該圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工對(duì)周邊環(huán)境影響較小，土層適應(yīng)性較好，能夠同時(shí)兼顧圍護(hù)及止水，施工速度快[3]。本工程基坑施工周期較短，型鋼租賃期較短，經(jīng)濟(jì)效益較高[4]。

③地下連續(xù)墻

該圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度大、止水效果好、安全度很高、施工風(fēng)險(xiǎn)小，但支護(hù)造價(jià)高、施工周期長(zhǎng)，一般用于環(huán)境保護(hù)較為敏感、基坑挖深較深的深大基坑。對(duì)本工程而言，經(jīng)濟(jì)效益極低[1]。

2.2 支撐體系選型

①鋼筋混凝土支撐

鋼筋混凝土支撐布置較為靈活，可形成拱、桁架等合理的受力形式。截面形式和尺寸可根據(jù)實(shí)際受力情況確定，剛度大，變形小，安全性能有保證，抗拉、抗彎強(qiáng)度大，能與其他支護(hù)結(jié)構(gòu)形成穩(wěn)定性好的整體。支撐桿件可以與圍檁、圈梁甚至圍護(hù)墻體（鉆孔灌注樁）整澆在一起，能大大提高支護(hù)體系的整體性和穩(wěn)定性。但鋼筋混凝土支撐澆筑和養(yǎng)護(hù)時(shí)間長(zhǎng)，且后期只能拆除廢棄、不能重復(fù)使用，還會(huì)產(chǎn)生較大的噪音、粉塵及固體廢棄物，經(jīng)濟(jì)效益差，不適于本項(xiàng)目。本工程鋼筋混凝土支撐布置如圖3所示[4]。

②傳統(tǒng)鋼支撐

傳統(tǒng)鋼支撐分為鋼管支撐和型鋼支撐。鋼支撐架設(shè)和拆除速度快，不需要養(yǎng)護(hù)，且后期可以回收復(fù)用，經(jīng)濟(jì)環(huán)保。但傳統(tǒng)鋼支撐剛度小，當(dāng)支撐長(zhǎng)度相對(duì)過(guò)長(zhǎng)時(shí)，其剛度、穩(wěn)定性均無(wú)法有效保證，且支撐布置限制較多，不靈活。

③預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁裝配式鋼支撐

預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁裝配式鋼支撐由鋼桁架和預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)組成，通過(guò)張拉預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)預(yù)先起拱，加大支撐剛度、減小支撐最終受力和位移。與傳統(tǒng)鋼支撐一樣，預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁裝配式鋼支撐架設(shè)和拆除速度快，不需要養(yǎng)護(hù)，后期可回收復(fù)用。大跨度的魚(yú)腹梁直接頂在擋土墻上，可用魚(yú)腹梁下弦的預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)中的預(yù)應(yīng)力進(jìn)行調(diào)節(jié)，使魚(yú)腹梁的整個(gè)跨度均勻地向坑外位移，大大減少支撐梁數(shù)量，也減少了立柱數(shù)量，減少對(duì)基坑開(kāi)挖空間的占用，方便施工，施工速度快[3]。本工程預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁支撐布置如圖4 所示。

④斜拋撐

斜拋撐也是傳統(tǒng)鋼支撐的一種，通過(guò)在底板上澆筑混凝土牛腿，將鋼支撐頂在圍護(hù)樁上，架設(shè)速度快、造價(jià)低，但斜拋撐要頂在底板上，即底板需分塊澆筑。臨近圍護(hù)樁位置土方需保留至坑內(nèi)，部分底板澆筑完、鋼支撐架設(shè)后方能挖除，影響施工速度。本項(xiàng)目東側(cè)、南側(cè)場(chǎng)地狹小，后期坑邊不能出土且工期緊，因此斜拋撐方案不適于本項(xiàng)目。本工程斜拋撐支撐布置如圖5所示。

2.3 圍護(hù)樁與支撐組合試算結(jié)果

從表2 可以看出，SMW 工法樁/灌注樁+魚(yú)腹梁/混凝土支撐，四種組合方式均能滿(mǎn)足安全可靠性的要求，但從經(jīng)濟(jì)性方面SMW 工法樁與魚(yú)腹梁組合能夠極大節(jié)省造價(jià)，且SMW 工法樁與魚(yú)腹梁施工便利，不需要養(yǎng)護(hù)，能夠有效節(jié)省工期；從安全可靠性、經(jīng)濟(jì)性、工期和施工便利性三個(gè)方面分析，SMW 工法樁與預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁裝配式鋼支撐協(xié)同作用為本工程的最佳支護(hù)方案。

表2 圍護(hù)樁與支撐工況組合試算及工程造價(jià)估算

本項(xiàng)目基坑普挖深度9.20～10.00m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用單排SMW 工法樁（Φ850@1200 三軸攪拌樁內(nèi)插HN700×300×13×24 型鋼），其中SMW 工法樁樁長(zhǎng)16.50m，H 型鋼樁長(zhǎng)16.00m。平面內(nèi)設(shè)1 道預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁鋼支撐，支撐距地面深度為1.90m，待中樓板換撐后拆除?；拥湫推拭媸疽鈭D見(jiàn)圖6。

3 裝配式預(yù)應(yīng)力體系有限元分析

3.1 有限元模型

為更好地在基坑開(kāi)挖施工全過(guò)程中對(duì)裝配式預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁鋼支撐體系的受力做更深入精準(zhǔn)的分析，根據(jù)工程實(shí)際采用CAD 按1:1 尺寸建模，然后導(dǎo)入MIDAS/GTS NX 分析軟件中。裝配式預(yù)應(yīng)力體系中對(duì)撐、角撐和斜腹桿采用桿單元；鋼絞線(xiàn)采用預(yù)應(yīng)力桿件單元；圍檁、腹桿和混凝土冠梁采用梁?jiǎn)卧?；三角桁架由于剛度大，采用平面板單元[5]。計(jì)算模型和荷載施加模型分別如圖7 和圖8所示。

數(shù)值計(jì)算按照預(yù)應(yīng)力魚(yú)梁組合式鋼支撐安裝先后順序分為以下三個(gè)工況進(jìn)行模擬。

①工況1：激活除鋼絞線(xiàn)以外的支撐結(jié)構(gòu)網(wǎng)格組，施加邊界土壓力彈簧，施加對(duì)撐、角撐預(yù)應(yīng)力。

②工況2：激活鋼絞線(xiàn)單元網(wǎng)格，鋼絞線(xiàn)預(yù)應(yīng)力值。

③工況3：施加側(cè)向土壓力。

以上三個(gè)工況中，工況3 為最不利工況，主要對(duì)工況3 的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

①基坑整體位移

圖9為預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁支護(hù)結(jié)構(gòu)位移圖，從圖中可以看出，通過(guò)對(duì)裝配式鋼支撐施加預(yù)應(yīng)力，可以將基坑最大位移控制在20.0mm 之內(nèi)，位移最大值為16.5mm，位于基坑南側(cè)靠近中部位置處，滿(mǎn)足基坑變形的要求。

支護(hù)結(jié)構(gòu)總的位移分布情況是魚(yú)腹梁中部位置處圍檁的位移較小，魚(yú)腹梁端部與角撐接頭附近位移稍大，邊桁架位置處的位移偏大。

根據(jù)深基坑計(jì)算軟件“啟明星”計(jì)算結(jié)果，如圖10 所示，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)普遍區(qū)域深層樁身位移最大變形約為19.10mm，基本與MIDAS/GTS NX 有限元計(jì)算結(jié)果相符[6]。

圖1 基坑工程周邊環(huán)境圖

圖2 典型工程地質(zhì)剖面圖

圖3 鋼筋混凝土支撐

圖4 預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁支撐

圖5 斜拋撐

圖6 基坑典型剖面

圖7 預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁鋼支撐計(jì)算模型

圖8 預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁鋼支撐荷載施加模型

圖9 基坑整體位移圖

圖10 圍護(hù)樁變形計(jì)算值

②軸力圖及彎矩圖

從預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁支護(hù)體系的軸力圖（圖11）和彎矩圖（圖12）可以看出，支撐體系的最大應(yīng)力主要集中在對(duì)角撐支撐位置附近的圍檁上，主要由鋼絞線(xiàn)張拉、對(duì)角撐的正壓力和對(duì)角撐的偏心壓力引起。

圖11 桿件軸力圖

圖12 桿件彎矩圖

通過(guò)對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的整體分析可知，預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁裝配式鋼支撐整體性較好，剛度大，在土壓力作用下該支撐體系變形相對(duì)較小，結(jié)構(gòu)安全可靠。

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果

本工程西側(cè)為已建辦公樓（2～3F），距擬建地庫(kù)最近距離約27.50m；擬建地庫(kù)東側(cè)距1 層配電房最近約11.70m；南側(cè)人行道分布有雨水管?；娱_(kāi)挖過(guò)程中針對(duì)周邊管線(xiàn)及支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全方位信息化監(jiān)測(cè)，基坑開(kāi)挖實(shí)況見(jiàn)圖13。

圖13 基坑施工實(shí)況

圖14 樁頂水平位移監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)

圖15 樁頂沉降監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)

針對(duì)基坑周邊建筑物，共布置了12個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)?；娱_(kāi)挖過(guò)程中，平均沉降約為5～10mm，建筑物未出現(xiàn)開(kāi)裂、破損等情況；針對(duì)周邊管線(xiàn)，共設(shè)置9 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，基坑開(kāi)挖至坑底時(shí)，管線(xiàn)豎向沉降平均約為10～15mm，水平位移平均為8～12mm；基坑施工過(guò)程中，地下管線(xiàn)沒(méi)有出現(xiàn)破損或泄露等情況。周邊建筑物及管線(xiàn)沉降值均較小。

圍護(hù)樁共設(shè)置19 個(gè)水平和豎向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)。豎向累計(jì)沉降7～10mm；水平位移除西側(cè)出土口處（樁頂4）較大外，一般為10～15mm，周邊環(huán)境均在安全控制范圍。

選取兩個(gè)典型測(cè)斜孔繪制深層位移監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)圖（見(jiàn)圖16），由圖可知一般位置監(jiān)測(cè)點(diǎn)樁身位移為20～26mm，局部最大為36mm；樁身最大變形處位于8.00～10.00m，即位于坑底位置附近[3]。

圖16 樁身水平位移實(shí)測(cè)曲線(xiàn)

5 結(jié)論

本文針對(duì)無(wú)錫某基坑項(xiàng)目，從安全性、經(jīng)濟(jì)性、工期和施工便利性三個(gè)方面探討了SMW 工法樁與預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁裝配式鋼支撐聯(lián)合支護(hù)的實(shí)際效果。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，SMW 工法樁與預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁裝配式鋼支撐聯(lián)合支護(hù)在深大基坑中實(shí)施效果良好，預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁裝配式鋼支撐具有較好的變形控制能力，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與有限元計(jì)算大體吻合。

SMW 工法樁與預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁裝配式鋼支撐聯(lián)合支護(hù)，SMW 工法樁施工效率高、預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁安裝和拆卸方便，組裝完即可支撐，極大地縮短了建設(shè)工期[7]。

在國(guó)家倡導(dǎo)四節(jié)一保（節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材和環(huán)境保護(hù)）的大背景下，SMW 工法樁和預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁裝配式鋼支撐均可以在施工完成后回收復(fù)用，相比于灌注樁、鋼筋混凝土支撐，大大節(jié)省了混凝土和鋼筋用量，避免了后期鋼筋混凝土支撐拆除產(chǎn)生的噪音污染、粉塵污染、固體廢棄物污染，為同類(lèi)基坑工程提供參考。